9.1.1.      Возникновение термо-ЭДС (эффект Зеебека)

При наличии разности температур спаев в цепи с термоэлемен­том появляется термоэлектродвижущая сила (термо-ЭДС), кото­рая состоит из трех составляющих.

Первая составляющая термо-ЭДС обусловлена диффузией носителей заряда от нагретого спая к тепловыделяющему спаю. Диффу­зия носителей в ветвях может возникать по двум причи­нам:

во-первых, в ветвях термоэлемента у нагретого спая оказывается большее чис­ло ионизированных примесей. При дополнительной ионизации примесей увеличи­вается концентрация основных носителей заряда на нагретых концах ветвей термо­элемента. Поэтому возникает диф­фузия основных носителей в каждой вет­ви термоэлемента из-за градиента кон­центрации;

во-вторых, если в ветвях термоэлемента все примеси были ионизированы уже при низкой температу­ре (эта температура выше температуры истощения примесей), то концентрация основных носителей заряда при нагреве практически не увеличится. Но на нагретых концах ветвей термо­элемента носители заряда приобретают большие энер

гии. Поэто­му опять происходит диффузия основных носителей от нагретого конца в каждой ветви термоэлемента, связанная с выравниванием средней энергии, приходящейся на один носитель определенного знака.

Диффузия, например, электронов в отрицательной ветви может происходить только от нагретого конца этой ветви вдоль нее и не может происходить в положительную ветвь, так как переходу электронов в положительную ветвь препятствует потенциальный барьер нагретого спая термоэлемента. Аналогично, дырки в положительной ветви могут диффундировать вдоль нее от нагретого конца.

Перемещение носителей заряда, связанное с их диффузией, нарушает электрическую нейтральность в ветвях термоэлемента: на нагретых концах ветвей термоэлемента остаются нескомпенсированные ионы примесей, а на противоположных концах образуется избыток основных носителей заря­да. В результате, возникает первая составляющая термо-ЭДС, которую называют диффузионной.

Вторая составляющая термо-ЭДС – это следствие темпера­турной зависимости контактной разности потенциалов. Если оба спая термоэлемента имеют одну и ту же температуру, то контакт­ные разности потенциалов на этих спаях равны, направлены в противоположные стороны и не дают результирующей ЭДС. Если же температуры спаев термоэлемента различны, то значения контактной разности потен­циалов на спаях будут также различны. Тогда в цепи термоэлемента появляется вторая составляющая термо-ЭДС с той же полярностью, что и первая составляющая.

Третья составляющая термо-ЭДС возникает в термоэлементе вследствие увлечения носителей заряда квантами тепловой энер­гии – фононами. Если в ветвях термоэлемента есть градиент температуры, то будет существовать направленное движение фононов от нагретых концов ветвей. В результате столкновений фононов с носителями заряда фононы увлекают за собой элект­роны в отрицательной ветви и дырки в положительной ветви. Этот эффект может оказаться преобладающим при низких температурах.

Результирующая термо-ЭДС, состоящая из трех рассмотрен­ных составляющих, зависит от разности температур спаев термо­элемента и от электрофизических свойств полупроводниковых материалов, образующих ветви термоэлемента. В небольшом диапазоне температур термо-ЭДС  можно считать (с достаточ­ной для практических целей точностью) пропорциональной раз­ности температур спаев термоэлемента и некоторому коэффици­енту , называемому коэффициентом термо-ЭДС:

.                                                      (9.1)